基于某PowerPC处理器的机载显示平台设计与实现

张光辉 窦爱萍 航空工业西安航空计算技术研究所 李骏 陆装驻西安地区航空军代室

引言

机载显示系统可以为飞行员提供作战环境、机身状态等重要信息，对顺利完成作战任务具有重要意义。本文基于可视化导航信息系统，实现了机载显示平台的设计与验证。显示平台以PowerPC7xxx作为核心处理器，VME作为总线标准，其设计符合通用化与系列化的思想，并具有良好的通用性、可重构性和扩展性。实验表明该显示平台的性能能够满足当前系统的需求。

1 显示平台系统设计方法

作为机载座舱的显示设备，显示平台是领航员或飞行员获取三维地图、导航信息、地图漫游、控制指令、近地告警和进近着陆等信息的重要来源，可为飞机导航提供有力数据支持。

1.1 显示平台系统需求分析

为满足可视化导航系统的需求，显示平台要同时实现导航数据与地图数据综合处理、三维导航参数实时显示、航线图以及飞机位置显示等功能。

1.2 系统架构设计

根据可视化系统的设计要求，显示平台的设计需实现高性能显示处理，大容量存储，高速信号处理等技术。显示平台按照模块化的理念进行设计，划分为CPU模块、图形加速器模块、存储器模块、电源模块以及接口模块等。系统构成如图1所示：

图1 显示平台系统构成

2 显示平台的硬件设计

CPU模块主要完成系统的数据处理功能。CPU模块通过PMC背板形式连接存储器模块、图形加速模块，通过VME总线与多功能接口模块进行通讯。

2.1 CPU模块设计

2.1.1 CPU 模块组成

CPU模块主要由以下几个单元组成，分别是：PowerPC7xxx处理器、主桥单元、PMC单元、时钟单元、PCI单元、以太网单元、存储单元、接口单元、时钟单元、USB接口单元、供电单元等。

2.1.2 技术难点

通过对系统需求进行分析，显示平台CPU模块设计研制过程所涉及的关键技术如下：

1) CPU桥接解决处理器与其他外设的互联；

2) PCI总线解决系统内模块间的通信问题，提高各模块之间数据传输速率，降低研制成本与研制周期；

3) PMC标准的多功能子板的扩展，解决视频、存储与接口等多种功能的扩展问题；

4)以太网解决系统调试和接口通信问题；

2.1.2.1 处理器选择

PowerPC处理器具有RISC体系架构，其优点是低功耗、高速度、强算力。

考虑其在成本、功耗、运算速度等方面具有的优势和广泛的第三方软件支持率，本文选择了PowerPC G4系列主机处理器中的MPC7xxx作为显示平台的核心处理器。

2.1.2.2 处理器桥接器

处理器桥接器采用某桥接器。其功能有：一个高性能存储控制器（支持双处理器），两通道的DMA控制器，I/O消息控制器，中断控制器等。

2.1.2.3 存储单元

本单元由NVRAM、SDRAM、Flash存储器组成，主要完成动态与静态数据的存储，Flash用于存储驱动和应用程序，完成系统的启动；SDRAM存储系统运行产生的数据；NVRAM存储系统BOOT等数据。可通过桥接器对存储器进行访问。

2.1.2.4 千兆以太网接口

该桥接器内部集成有10MB/100MB/1000MB的MAC接口，采用某PHY接口芯片，实现物理层通讯。本设计在接口复位时将其配置为RGMII模式，支持IEEE802.3标准。两个接口由1.5V电源和2.5V电源独立供电，上拉电阻缺省值均为30Ω。

2.1.2.5 USB 接口

为了方便地面加载地图数据，CPU模块中设计了USB接口用于地面加载数据，大大简化了地面加载设备的复杂度。USB控制器采用某公司的某型号USB控制器。该USB控制芯片提供了用于数据传输的PCI总线接口。

2.1.2.6 复位

CPU模块采用单个5V电源进行供电，电源转换器可以提供+5V到1.8V、1.2V、1.1V、2.5V、3.3V 的电源转换。复位包括软件复位和硬件复位。

2.1.2.7 CPU 电源设计

CPU模块输入电源为+5V；处理器PC7xxx核心电压为1.1V，接口电压为1.8V；DDR2电压为1.8V，其他器件电压为3.3V；桥接器的核心电压为1.2V，接口电压为1.8V；FPGA 芯片电压为2.5V。

2.1.2.8 中断控制器

CPU模块采用某桥接器内的中断控制器来实现独立的中断，中断可以根据中断源的特点设置中断的优先级、电平有效方式及中断向量。中断的优先级可以通过软件进行设置。

2.1.2.9 VME 总线接口

VME总线桥接器采用某公司的某总线桥接芯片，支持66MHz的PCI总线或133MHz的PCI-X总线，数据宽度可以为32位，实现VME空间到PCI空间的映射。

2.1.2.1 0 可编程控制逻辑

模块中采用某FPGA芯片作为可编程控制芯片，可实现复位、中断、寄存器、计数器、串口、看门狗、外设的片选和译码等功能。

2.2 存储器模块设计

2.2.1 基本硬件配置

存储器模块主要完成地图数据的存储。模块由存储阵列、PCI接口电路与FPGA逻辑控制组成。存储区单元是由16片NAND Flash组成的64GB存储阵列。

2.2.2 FPGA 控制逻辑

采用某公司的某可编程逻辑芯片来完成存储器模块的控制以及存储阵列的地址、数据和命令的处理。FPGA内部逻辑的主要功能是实现NAND Flash的读写功能的操作控制。

2.3 GPU显示模块设计

图形显示中的显示速度和图形质量是需要关注的两个主要方面。图像实时显示需要处理器有着很高的运算速度。显示卡为西安航空工业计算所自行开发，图形处理器采用某公司研制开发的某显示芯片，其处理速度高，并支持OpenGL图形接口标准，显存空间大。

2.4 IO模块设计

IO模块及模块内的 I/O 接口由DSP处理器进行控制与管理。I/O模块与CPU模块之间通过双口存储器进行数据与命令交换。

3 显示平台软件设计与实现

显示平台系统的软件由地面支持软件、应用软件以及系统软件组成。

3.1 系统软件

系统软件是用来运行、开发和调试相关的应用程序。其中包含引导程序、BIT程序、驱动程序以及操作系统。

3.1.1 引导程序

系统上电后先根据离散量的不同状态执行相关分支的引导程序，以此来进行地面维护、进行地面调试以及空中运行。

3.1.2 操作系统软件

操作系统软件主要功能模块有：任务管理、中断管理、通信管理、存储管理、周期任务管理等。

3.1.3 驱动程序

驱动程序是硬件的驱动软件，以库的形式供用户调用，包括网口驱动、FLASH驱动、显卡初始化驱动、OpenGL驱动、看门狗驱动、中断管理驱动、PCI驱动、电子盘驱动和VME驱动程序等。

3.2 地面支持软件

地面支持软件包括集成开发环境和在线编程软件。

3.3 应用软件

应用软件实现空间导航、控制飞行、处理存储、数据管理、地图漫游等功能。

4 结语

基于PowerPC7xxx处理器的显示平台系统具有强实时性，高吞吐率，强扩展性的特点。其丰富而全面的接口设计方便用户的开发和应用，且功能及性能均可满足用户的要求，使用过程中具有高可靠性和高稳定性。机载显示平台的设计和实现具有非常重要的应用价值。